風(fēng)化砂改良膨脹土機(jī)理及邊坡穩(wěn)定性分析

楊 俊，黎新春，張國棟，唐云偉，梁 勇

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌443002;2.湖北省宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北宜昌443002;3.湖北省宜昌市夷陵區(qū)小鴉一級公路改建項(xiàng)目部，湖北宜昌443002)

膨脹土是一種以蒙脫石、伊利石為主要礦物成分的高液限黏性土，具有吸水膨脹、失水收縮的特征，是一種特殊土質(zhì)，不能直接用作路基填料.目前，工程上常用石灰、水泥或粉煤灰來改良膨脹土.王新征［1］研究發(fā)現(xiàn):改良后膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)及脹縮指標(biāo)均有不同程度的改善，其中CBR值和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并不是隨著石灰摻量的提高而無限制的增大，而是存在一個最佳摻量的問題.劉軍等［2］研究發(fā)現(xiàn):摻水泥改良對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的提高尤為顯著，但進(jìn)行無側(cè)限抗壓、CBR等試驗(yàn)時，數(shù)據(jù)的變異系數(shù)較大，表明摻水泥改良均勻性較差.查甫生等［3］研究發(fā)現(xiàn):摻入二灰后，試樣的強(qiáng)度特性及水泥穩(wěn)定性均大幅提高，且試樣的膨脹量隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸減小.但大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，采用石灰、水泥或粉煤灰改良膨脹土，存在拌合困難、現(xiàn)場控制難度大、污染環(huán)境以及具有時效性等缺陷.

由于風(fēng)化砂富含二氧化硅和氧化鋁，而膨脹土中含有大量的鈣質(zhì)元素，二者可以通過化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的硅酸鈣和鋁酸鈣，可降低膨脹土的活性，從而抑制膨脹土的脹縮特性;再者可通過風(fēng)化砂顆粒間摩阻力來抵消膨脹土的脹縮力，提高改良土的強(qiáng)度，達(dá)到路基填料的標(biāo)準(zhǔn).由于風(fēng)化砂具有一定的粒徑，與石灰、水泥、粉煤灰等粉末狀物體比較起來，現(xiàn)場拌合相對容易，還具有就地取材，節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn).

為此，本研究擬結(jié)合湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路改建工程實(shí)際情況，通過一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，分析試驗(yàn)現(xiàn)象，揭示風(fēng)化砂改良膨脹土的機(jī)理，并應(yīng)用條分法，對不同摻砂比例改良膨脹土填筑的路基進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析評價，以進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)化砂改良膨脹土的可行性，同時為確定最佳摻砂比例提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用膨脹土(見圖1)，取自湖北省宜昌市鴉鵲嶺，膨脹土土樣顏色為灰白色，有滑感，肉眼可看到少量的白色鈣質(zhì)結(jié)核;經(jīng)過化學(xué)成分分析，該膨脹土主要成分有蒙脫石、伊利石和高嶺石，占82%，含有大量的鈣質(zhì)元素.液限WL=36.1%(小于50.0%)，塑限為 18.9%，塑性指數(shù)Ip=17.2(大于17.0)，該膨脹土為低液限黏土;自由膨脹率為δef=53%(大于40%且小于60%)，膨脹等級初步判定為弱膨脹土.

圖1 試驗(yàn)用膨脹土

試驗(yàn)用風(fēng)化砂(見圖2)，取自小溪塔至鴉鵲嶺一級公路改建項(xiàng)目沿線K22+000～K23+000段附近.風(fēng)化砂顏色為土黃色，顆粒較細(xì)，稍有滑膩感;經(jīng)過化學(xué)成分分析，礦物組成主要是斜長石、石英、絹云母，化學(xué)成為以二氧化硅和氧化鋁為主.其中粗粒組(粒徑大于0.500 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65%，中粒組(粒徑介于0.075～0.500 mm間)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.70%，細(xì)粒組(粒徑小于0.075 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.65%，不均勻性系數(shù)51.61(大于5)，曲率系數(shù)13.16(大于3)，為級配不良砂.

圖2 試驗(yàn)用風(fēng)化砂

1.2 脹縮特性室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的摻砂比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0，10%，20%，30%，40%和50%，分別對應(yīng)編號為1#，2#，3#，4#，5#和 6#.風(fēng)化砂改良膨脹土的膨脹特性見表 1.其中，δef為自有膨脹率，δe為無荷膨脹率，δep為有荷膨脹率，b為膨脹力，p為有荷膨脹率試驗(yàn)的上覆荷載.風(fēng)化砂改良膨脹土的收縮特性見表2.

表1 風(fēng)化砂改良膨脹土的膨脹特性 %

表2 風(fēng)化砂改良膨脹土的收縮特性 %

試驗(yàn)結(jié)果表明:摻入風(fēng)化砂之后，膨脹土的自由膨脹率比未摻砂前顯著降低，且隨著摻砂比例的增大，膨脹土的自由膨脹率逐漸降低，說明摻砂能夠有效抑制膨脹土的膨脹性;膨脹土的脹縮總率比摻入風(fēng)化砂之前明顯減小，且隨著摻砂比例增大，改良膨脹土的脹縮總率逐漸減小，說明摻砂能夠有效抑制膨脹土的脹縮特性;膨脹土的膨脹力比摻入風(fēng)化砂之前明顯減小，隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的膨脹力逐漸減小，說明摻砂對于抑制膨脹土的膨脹起到了一定的效果.改良膨脹土的自由膨脹率小于40%，脹縮總率小于0.7%，均滿足 JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》對路基填料的變形要求.

1.3 力學(xué)特性室內(nèi)試驗(yàn)

分別對原狀膨脹土及不同摻砂比例改良的膨脹土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)，得到了改良膨脹土的力學(xué)特性指標(biāo)［4-6］.試驗(yàn)采用的摻砂比例仍然同脹縮性試驗(yàn)，結(jié)果見表3.其中，pwk為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，φ為內(nèi)摩擦角，c為黏聚力，E為回彈模量.

表3 風(fēng)化砂改良膨脹土的力學(xué)特性

由表3可知:摻入風(fēng)化砂之后，膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻砂比例的增加，先增大后減小，當(dāng)摻砂比例為20%時，土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大;摻入風(fēng)化砂之后，膨脹土的CBR值比未摻砂之前明顯增大，隨著摻砂比例的加大，CBR值也隨著增加，且浸水CBR值大于3%;隨著摻砂比例的增加，回彈模量的值逐漸減?。?-11］.

試驗(yàn)結(jié)果表明:摻砂能夠提高膨脹土的強(qiáng)度，滿足JTG F10—2006對路基填料的強(qiáng)度要求.

2 風(fēng)化砂改良膨脹土機(jī)理分析

從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果來看，采用風(fēng)化砂來改良膨脹土，具有較好的效果.風(fēng)化砂能有效抑制膨脹土的膨脹，是因?yàn)轱L(fēng)化砂的主要成分是二氧化硅和氧化鋁，而膨脹土的主要成分是蒙脫石、伊利石和高嶺石，含有大量的鈣質(zhì)元素，二者之間發(fā)生離子交換等化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝性的硅酸鈣和鋁酸鈣，產(chǎn)生膠結(jié)作用，降低了膨脹土的活性，從而有效地遏制膨脹土的一部分脹縮力;再者在膨脹土中摻入風(fēng)化砂之后，由于風(fēng)化砂有一定的硬度，呈顆粒狀，有棱有角，能與膨脹土脹縮時產(chǎn)生摩阻力，再抵消一部分脹縮力.正是因?yàn)樯鲜鲈?，在進(jìn)行脹縮性試驗(yàn)時，得出的結(jié)果是，膨脹指標(biāo)和收縮指標(biāo)均能隨著摻砂比例的增加而減小.

對于抗剪強(qiáng)度的黏聚力指標(biāo)，隨著摻砂比例的增加，黏聚力在逐漸增大.這是由于化學(xué)反應(yīng)生成膠凝性物質(zhì)的所致，使得黏聚性越來越強(qiáng)，當(dāng)摻砂比例超過20%時，繼續(xù)增大摻砂量，由于化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)完成，再加大摻砂量會出現(xiàn)過剩，所以摻砂比例超過20%后，風(fēng)化砂所占的量越來越大，風(fēng)化砂基本沒有黏結(jié)力，從而降低了風(fēng)化砂改良膨脹土的黏聚力［12］.對于內(nèi)摩擦角，隨著摻砂比例的增加，不斷增加，這主要是因?yàn)閾缴爸?，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝性物質(zhì)有一定的硬度，砂粒間的摩阻力在不斷增大，從而使得內(nèi)摩擦角不斷增大.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律也與黏聚力的變化規(guī)律一致，原因也是由于膨脹土和風(fēng)化砂的物理作用和化學(xué)作用綜合所致.

3 穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算斷面及參數(shù)的選取

宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路起點(diǎn)位于宜昌市夷陵區(qū)小溪塔夷陵經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，路基寬度為24.5 m，雙向四車道.根據(jù)現(xiàn)場路段實(shí)際情況，選擇較高填方路段K26+780斷面作邊坡穩(wěn)定性分析.已知路基高度為10 m，堤邊坡坡度為1∶1.5，驗(yàn)算荷載為公路一級(車輛重力標(biāo)準(zhǔn)為550 kN).橫斷面如圖3所示.

圖3 計(jì)算橫斷面

根據(jù)上述室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果，同時結(jié)合壓實(shí)度要求及重型擊實(shí)試驗(yàn)，可知填土的重度，計(jì)算參數(shù)見表4.

表4 路基邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

3.2 改良膨脹土填筑路基的穩(wěn)定性分析

行車荷載是路基邊坡穩(wěn)定性分析的主要作用力之一.計(jì)算時，將車載換算成相當(dāng)于路基填土厚度，計(jì)入滑動土體重力.高速雙向四車道，單幅橫向可布2輛標(biāo)準(zhǔn)車，分別對原狀膨脹土和摻砂膨脹土的換算填土高度計(jì)算，6種土樣的換算高度分別為0.77，0.74，0.72，0.73，0.74 和 0.75 m.

采用4.5H法確定滑動圓心輔助線EF，確定滑動圓弧中心，在圓心輔助線EF上先定出圓心O1，圓心距離F點(diǎn)為0.3H，過坡腳，作圓弧得到1個滑動面半徑，按填土的斷面形狀把整個路堤大致分為0.1R寬土條，根據(jù)畢肖普法計(jì)算K，檢驗(yàn)其穩(wěn)定性.另外，在輔助線上另找O2，O3，O4和O5等4個圓心，按同樣方法計(jì)算K.畢肖普法穩(wěn)定性分析具體計(jì)算圖式見圖4，5.

采用上述試算方法，分別對原狀土及不同比例摻砂膨脹土路基進(jìn)行計(jì)算，得O1，O2，O3，O4和O5等5個圓心所對應(yīng)的K(見表5).

圖4 4.5H法確定圓心

圖5 條分法的計(jì)算圖式

表5 路基邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

比較5個K值作出軌跡線找出最小值Kmin，與規(guī)范進(jìn)行比較，驗(yàn)算斷面的穩(wěn)定性.通過表5可知，原狀膨脹土及不同比例摻砂膨脹土分別填筑的路基安全系數(shù)分別為1.09，1.35，1.50，1.43，1.36 和 1.27.

根據(jù)得到的試驗(yàn)結(jié)果，得到摻砂比例與安全系數(shù)關(guān)系曲線，如圖6所示.

圖6 安全系數(shù)與摻砂比例關(guān)系

通過安全系數(shù)的計(jì)算可知:摻入風(fēng)化砂改善了膨脹土的工程特性，提高了路基的整體穩(wěn)定性.未改良的膨脹土填筑的路基安全系數(shù)較低，Kmin=1.09，小于1.25，不滿足規(guī)范要求;采用風(fēng)化砂改良的膨脹土填筑的路基安全系數(shù)明顯增大，Kmin均大于1.25，滿足規(guī)范要求;隨著摻砂比例不同，風(fēng)化砂改良膨脹土填筑路基的安全系數(shù)發(fā)生了改變，隨著摻砂比例增大，安全系數(shù)先增大后減小，當(dāng)摻砂20%時，安全系數(shù)達(dá)到最大.

4 結(jié)論

1)風(fēng)化砂能明顯抑制膨脹土的脹縮特性，摻入風(fēng)化砂改良的膨脹土，脹縮總率小于0.7%，自由膨脹率小于40%，達(dá)到了路用材料的標(biāo)準(zhǔn).

2)風(fēng)化砂能顯著改善膨脹土的力學(xué)強(qiáng)度特性，摻入風(fēng)化砂后，膨脹土的強(qiáng)度得到了有效的提高，且浸水CBR值大于3%，滿足JTG F10—2006對路基填料強(qiáng)度要求.

3)由風(fēng)化砂改良膨脹土的脹縮指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)可知:風(fēng)化砂改良膨脹土的機(jī)理在于同時發(fā)生了物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，使得其改良效果更突出.

4)由對公路路基邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果可知:原狀膨脹土填筑的路基安全系數(shù)小于1.25，不能滿足規(guī)范要求;采用風(fēng)化砂改良膨脹土填筑的路基安全系數(shù)均大于1.25，且當(dāng)摻砂比例達(dá)到20%，改良膨脹土路基安全系數(shù)達(dá)到最大.上述不同比例風(fēng)化砂改良后的路基安全系數(shù)均能達(dá)到規(guī)范要求，進(jìn)一步證明了風(fēng)化砂改良膨脹土的可行性.

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